Kíméletes tejfehérje-frakcionálási eljárás kifejlesztése
A Magyar Tejgazdasági Kísérleti Intézet Kft. (MTKI Kft.) élen jár a membránszeparáció (mikroszűrés, ultraszűrés, nanoszűrés, reverz ozmózis) tejipari alkalmazására végzett eljárások kifejlesztésében, amelyeknek célja olyan új termékek és gyártástechnológiák kidolgozása, amelyek a tej alkotórészeit nagyobb hatásfokkal hasznosítják.
A kutatás-fejlesztési munka eredményeképpen olyan új termékek jönnek létre – tejfehérje-koncentrátumok és -izolátumok, sajtkészítmények, savófehérje alapú krémsajtok és desszertek, micelláris kazein és natív savófehérje-izolátum –, amelyek kedvező táplálkozási értékükkel, kiváló érzékszervi és funkcionális tulajdonságaikkal, kedvező alapanyag-ráfordításukkal járulnak hozzá a tejgazdaság eredményességéhez. Az ezen eljárásokkal készült termékeket Magyarországon és külföldön egyaránt gyártják. Az Intézet munkája a termékek és gyártástechnológiák kifejlesztése mellett magában foglalja a gyártóvonalak és a gyártáshoz szükséges speciális berendezések tervezését, a gyártóvonalak beüzemelését, a minőség-ellenőrzés követelményeinek kidolgozását is, amelyek alkalmazása garanciát nyújt a gyártás biztonságára és a kiváló minőségű termékek előállítására.
Az MTKI Kft. munkatársainak legújabb innovációs célja olyan nagyüzemi gyártásra közvetlenül adaptálható, kíméletes, tisztán fizikai elven alapuló membránszeparációs eljárás (hideg mikroszűrés) kifejlesztése, amellyel a tejfehérjék frakcionálása az eddig alkalmazott eljárásoknál gazdaságosabban, jobb minőségű termékeket eredményezve kivitelezhető azáltal, hogy az eljárás során a tejfehérjék megőrzik eredeti, natív állapotukat és biológiai értéküket.
A tejfehérje két fő komponense, a kazeinfehérje és a savófehérje számos tulajdonságában, összetételében, táplálkozási értékében különbözik. A négy fő membránszeparációs eljárás (mikroszűrés, ultraszűrés, nanoszűrés és reverz ozmózis), illetve azok kombinációi számos elméleti és gyakorlati lehetőséget nyújtanak a tej összetevőinek fizikai úton való szétválasztására, koncentrálására. Ezen eljárások alkalmazásának előnye, hogy lévén tisztán fizikai eljárások, a fehérjék natív állapotban maradnak, megőrzik fizikai-kémiai szerkezetüket és eredeti tulajdonságaikat.
A mikroszűrés lényege, hogy egy féligáteresztő membrán két oldala között nyomáskülönbséget hozunk létre, így a membrán pórusméreténél kisebb molekulaméretű anyagok a membránon átjutnak, míg a nagyobb molekulaméretű anyagok koncentrálódnak. A membránon átjutó anyagot permeátumnak, a betáplálási oldalon maradó anyagot retentátumnak vagy koncentrátumnak nevezzük. Tej mikroszűrése során a kazein a retentátumban dúsul, a kisebb molekulatömegű savófehérje-frakciók a membránon áthaladva a permeátumban találhatóak.
Az iparban jelenleg alkalmazott meleg (45–50 °C-on végzett) mikroszűrés legfőbb korlátja, hogy a mikroorganizmusok üzemelés közbeni szaporodása miatt az üzemelési idő jellemzően legfeljebb 8 óra lehet. Világviszonylatban újdonság az Intézet által kifejlesztett, kis hőmérsékleten (10–20 °C) történő, ún. hideg mikroszűrési eljárás. Hideg mikroszűrés alkalmazásával az üzemelési idő növelhető, így ipari méretekben az eljárás gazdaságosabban üzemeltethető (kisebb fajlagos mosási idő és vegyszerigény, a kapcsolódó berendezések kapacitásainak jobb kihasználása, a hideg üzemeltetés miatt nagyobb membrán-élettartam). Hátránya a meleg mikroszűréssel szemben, hogy az alacsonyabb hőmérsékleten a membránok szűrletteljesítménye (fluxus) csökken, így megnő a szükséges membránfelület.
Meleg mikroszűrésnél a magasabb hőmérséklet következtében csökken a tejfehérjék biológiai értéke, így romlik a belőlük előállított alapanyagok táplálkozás-élettani minősége. A hideg mikroszűréssel nyert retentátum nagyobb mikrobiológiai tisztaságú, és a benne lévő tejfehérjék megőrzik eredeti, natív állapotukat. Emellett ez a kíméletes eljárás nagy hozzáadott értékkel rendelkező termékeket eredményez. Alkalmazása komoly gazdasági előnnyel kecsegtet, ezért a hideg mikroszűrést magában foglaló komplex gyártástechnológiák iránt várhatóan nagy lesz az érdeklődés.
A fejlesztés során az MTKI Kft. célja volt a retentátumban a 95%-os kazeinarány elérése a fehérjetartalmon belül, ami azért jelent kihívást, mert a hideg mikroszűrés hőmérsékletén a savófehérjék mobilitása csökken. A kazeinarány lehetséges maximumra növelése azért nagyon fontos célkitűzés, mert a nagy tisztaságú kazeinkoncentrátum-készítmények hőstabilitásuk miatt keresett ingrediensek a világpiacon, ugyanis előnyösen alkalmazhatók a különféle humángyógytápszerek előállításához.
A hideg mikroszűrés során keletkező permeátum az ún. ideális savó, amely a savófehérjéket natív állapotban tartalmazza, gyakorlatilag csíramentes, zsírmentes, fehérje-bomlástermékektől, adalékanyagoktól és oltómaradványoktól mentes, és így alkalmas alapanyag kiemelkedő minőségű savófehérje-ingrediensek előállítására.
A fejlesztés során célzott kísérletek segítségével meghatároztuk a hideg mikroszűrés optimális paramétereit, úgymint:
- a membrán típusa (pl. membrán anyaga, névleges pórusmérete),
- a hőmérséklet,
- a nyomásviszonyok,
- a volumenredukció,
- a diafiltráció mértéke.
A kísérletek folyamán megállapítottuk, hogy a hideg mikroszűrés során csökken a szűrletteljesítmény (az 50 oC-on mért fluxusértékek átlagosan 2–2,3-szor nagyobbak voltak, mint a 15 oC-on mért fluxusértékek). A volumenredukció, illetve ezzel összefüggésben a mikroszűrt retentátum fehérjetartalmának növekedésével a szűrletteljesítmény csökken. A retentátum fehérjetartalma a szárazanyagban legalább 80 százalék, kazeintartalma az összes fehérjetartalomban legalább 95 százalék volt.
Meghatároztuk ezenkívül a hideg mikroszűréshez alkalmazott különböző típusú membránok permeabilitását, az előállított koncentrátumok fizikai-kémiai és mikrobiológiai tulajdonságait, valamint a membránok retenciós értékeit a tej makrokomponenseire.
A hideg mikroszűréshez alkalmazott különböző típusú membránok permeabilitásának meghatározásához az élelmiszeriparban ismert két gyártó spiráltekercselt polimer membránjait használtuk. Az eredményekből számított aktuális és látszólagos retenciós értékek alapján megállapítottuk, hogy a fehérjeretenció mindkét membrántípusnál kismértékben nagyobb 15 oC-on, mint 50 oC-on végzett kísérleteknél, ez a különbség azonban nem számottevő. Mindkét membrántípus esetében megállapítottuk, hogy a 15 oC-on végzett mikroszűrésnél az átlagos mikrobiológiai szaporodás a vizsgált csíracsoportok esetében egy nagyságrenddel kisebb volt, mint az 50 oC hőmérsékleten végzett mikroszűrésnél.
A hideg mikroszűrés a jelenleg alkalmazott technológiáknál költséghatékonyabban, kevesebb energia és vegyszer felhasználásával üzemeltethető. A technológia során keletkező melléktermékek feldolgozhatók további membránszeparációs műveletekkel (nanoszűrés, reverz ozmózis). Az így kapott tejeredetű víz megfelelő fizikai kezelés után akár a tejtermékekben alkotóként, akár a berendezések, helyiségek tisztításához, fertőtlenítéséhez is felhasználható. Ezzel lényegesen csökkenthető a melléktermékek mennyisége, elősegítve a környezeti fenntarthatóságot.